数値流体力学(略称:CFD)とは

流体の運動に関する方程式(オイラー方程式、ナビエ-ストークス方程式、またはその派生式)をコンピュータで解くことによって流れを観察する数値解析・シミュレーション手法。計算流体力学とも。コンピュータの性能向上とともに飛躍的に発展し、航空機・自動車・鉄道車両・船舶等の流体中を移動する機械および建築物の設計をするにあたって風洞実験に並ぶ重要な存在となっています。

CFD解析による成果実例

解析① 空気恒温槽空気流れ・温度分布

【解析テーマ】
温水(50℃)、冷水(5℃)を恒温槽に導入シロッコファンにて暖冷気を取り込み、混合することで、恒温槽内空気温度を20~40±0.5℃に調整することの可否を解析にて検証する。

【解析結果と成果】
設計図に基づく装置モデルで20~24±0.1℃の制御可能と解析、後日、検証された。

解析② 水素吸蔵装置の高圧水素試料容器温度分布

【解析テーマ】
350気圧の恒温H2(40℃)を恒温(40℃)水槽中の試料容器に導入直後、41.5℃に温度上昇するが40℃に下がるに要する時間を解析で求める必要がある。(高圧密閉容器で温度計測不能)

【解析結果と成果】
試料内に供給した高圧水素が100sec後、40.15±0.14℃に、200sec後、40.02±0.02℃に落着くとわかった。

解析③ チップ搭載基盤の温度分布

【解析テーマ】
IC、抵抗などのチップからの発熱により加熱される半田の温度を解析で求めたい。(試作せずにシュミレートしたい)

【解析結果と成果】
±0.1℃の精度で推定可能と判明。(当初は実測温度と5乃至15℃の差異あり)

解析④ CVDガス流れ・温度・濃度分布

【解析テーマ】
静止または回転するノズルからのガス供給状態を解析、流速、濃度分布を求め、ヒーターによるガス温度分布を加味し、化学反応高速式に基づき、反応&生成ガス濃度分布を解析したい。

【解析結果と成果】
回転を伴なうガス噴射分布が明らかとなり、基材に堆積する材料の膜厚ムラの原因究明に役立った。

解析⑤ 供給ガスの温度分布、混合濃度分布

【解析テーマ】
反応槽への原料ガス供給状態を計測せずに解析で予測したい。(配管内のガス温度分布、反応槽直前の混合配管内でのガス濃度分布、温度分布の計測も困難)

【解析結果と成果】
左記解析が可能となり、結果を配管設計、ヒーター使用設計に反映させ、要求使用を満足させる事ができた。

解析⑥ クリーンブース内の空気、塵流れ

【解析テーマ】
HEPAフィルターを介し流入する清浄空気がどのように流れ、塵を除外していくかをシュミレートし、発塵する設備の配置と塵分布の関係を捉える。

【解析結果と成果】
発塵設備の配置と塵の分布の関係を捉える事ができ、設備配置の最適化が図れた。

解析⑦ 空気浮上での空気の流れ

【解析テーマ】
空気浮上状態での平板直下の空気流速分布と圧力分布を解析することで平板の変型状態をシュミレート、空気噴射と排出の位置の最適化を図る。

【解析結果と成果】
解析にて空気の流速、圧力分布が得られ、測定結果と良い一致を見た。

解析⑧ 結露状態の解析

【解析テーマ】
温度分布を持った機器が湿度の異なる空気が供給される状態に置かれている。結露分布を定量的に捉えたい。

【解析結果と成果】
結露分布が定量予測できるようになった。

解析⑨ 燃料電池スタックセルのガス流れ

【解析テーマ】
80層からなるスタックセルのガス流れの流速、圧力分布を解析する。(異なる位置での流速、圧力の測定はきわめて困難)

【解析結果と成果】
可能となった。また、複雑な溝通路を持つスタッフでも5層程度までは解析可能。

解析⑩ 燃焼による炎、ガス温度、ガス濃度分布

【解析テーマ】
バーナーを用いたガス燃焼により形成される温度、ガス濃度分布、及び火災形状を予測する(測定は困難)

【解析結果と成果】
温度分布、ガス濃度分布、炉内壁温度、空気酸素、NOx濃度の予測が可能となった。

解析⑪ ロー付け作業でのロー材変形拳動(製造標準反映)

【解析結果と成果】
ロー材の着合面での流動状況が再現できた。

解析⑫ 射出成型での流体流れ拳動(製造標準反映)

【解析結果と成果】
樹脂の流れと亀裂発生の相関が掴めた。